对陶瓷刀具的性能的分析

随着现代科技发展，各种高强度、高硬度工程材料越来越多地被采用，这给切削加工带来了很大困难。传统硬质合金刀具难以胜任或根本无法实现对这类材料加工，而陶瓷刀具有很高耐磨性、红硬性，可以实现对多种难加工材料(淬硬钢、冷硬铸铁、镍基高温合金等) 进行高速切削，生产效率比普通硬质合金刀具高3～8倍。根据我们使用情况，对性能优越陶瓷刀具进行分析并与普通刀具进行对比，优化了加工工艺参数。
1 陶瓷刀具切削性能
   使用Si3N4基系列陶瓷刀具，其优点如下:
     高硬度:该种刀片室温硬度值已超过了最好硬质合金刀片硬度而达到92.5～94HRA，我们用它来加工硬度高达65HRC 各类淬硬钢无限冷硬铸铁轧辊，免除了退火所消耗电力，减少了换刀次数。因磨损极小，从而保证了径向尺寸一致性。
高强度:该刀片抗弯强度目前已达到了750～1000MPa，其抗压强度大于高速钢而与普通硬质合金相当。
   高抗高温氧化性:刀片耐热性抗高温氧化性特别好，经我们实测，1100～1250℃切削时，仍能保持一定硬度强度进行长时间切削，故可实现高速切削加工，切削速度可比硬质合金提高3～8倍。众多陶瓷材料，尤以Si3N4陶瓷耐热性最好。
   良好断裂韧性:断袭韧性值评价陶瓷刀具抗破坏能力重要指标之一。Si3N4系列刀片断裂韧性值，优于其他陶瓷刀片，断续切削时完全可与普通硬质合金媲美。
高抗热震性:Si3N4系列抗热震性能指标ΔT为600～800℃，明显优于其它种类陶瓷刀片(350～450℃) 。
2 刀片牌号选用及适用范围
   根据不同加工需要，使用了以下几种陶瓷刀具，其性能亦有所不同，见表1。表1 Si3N4系列陶瓷刀片牌号及特性 陶瓷系列及牌号 密度(g/cm3) 硬度(HRA) 抗弯强度(MPa) 用途 特长
FD05
   (Si3N4) 3.14 92.5 1000 HRC<62铸铁粗加工、断续切削、强力大走刀切削 抗热震性特好，强度好，抗冲击性好，但不适于切削高强钢
FD01
(Si3N4+TiC) 3.44 93.5 800 HRC≤65高合金铸铁、合金钢、高锰钢粗加工 耐高温性能好，耐磨性好，强度略低
FD04
(Si3N4+TiC) 3.9 94 750 HRC<65铸铁精加工、高速精铣。 高速切削性能特好，可以v≤1000m/min时精铣灰铸铁
FD04
(Si3N4+Al2O3+TiC) 3.85 93.5 800 加工高硬铸铁、球墨铸铁、淬硬钢及Ni基高温合金 耐高温性能好，适于铸铁大进 给量加工
FD22 4.75 94 800 精加工65HRC淬、合金铸铁 耐磨性特好，可实现淬硬钢以车代磨或以铣代磨

3 使用注意事项
  切削试验:使用不同切削速度、切削深度等要进行试验并记录数据，选出最佳刀具牌号。
  对机床要求:为了最大限度地减小震动，所用机床必须具有良好刚性、足够功率高转速，要充分考虑到机床—工件—刀具工艺系统刚性，任何环节刚性不足都将大幅降低陶瓷刀具切削性能效率，切忌使用那些年久失修、传动间隙过大机床。
对被加工件要求:
毛坯应切削前清除夹砂砂眼缺陷，减少打刀情况。
    零件“切入”、“切出”处均应倒角:对于硬度高而形状不规则坯料，必须先倒角后再用陶瓷刀具切削(倒角时可用硬质合金刀具低速下进行) ，此项不可忽视。
    合理选择刀具几可参数:陶瓷刀具一种硬而脆刀具，如何保证其使用稳定可靠而不崩刃选择合理几何参数主要依据。表2我们实践探索出来较为合理几何参数值。表2 陶瓷车刀几何参数推荐值 几何参数 符号 推荐值 加工条件
前角 γ0 +5°～+10° 车削钢σb<690MPA
-5° 车削调质钢σb690>MPA(50HRC以下)或铸铁(硬度220HB以下)  #p#分页标题#e#
-10° 车削55HRC以上淬硬钢或350～450HB以上铸铁
主后角 α0 5°～10° 车削一般钢及铸铁
主偏角 κ 30° 机床—工件—刀具系统刚性特好  
45° 机床—工件—刀具系统刚性相当好  
60°～75° 机床—工件—刀具系统刚性不太好  
刀尖圆弧半径 r(mm) 1～2 一般粗加工
0.5～1.6 一般半精加工
0.2～0.5 精加工
表3 陶瓷刀具常用切削量推荐值 工件材料与工序 刀片牌号 切削速度
(m/min) 进给量
(mm/r) 切削深度
(mm)
冷硬铸铁
HS≤80 粗车 FD01 20～55 0.5～1 0.5～5
精车 FD03 35～75 0.1～0.5 0.1～0.5
冷硬铸铁
HS=80～90 半精车 FD01
FD04 10～25 0.1～0.2 0.2～3
淬硬钢
50～63HRC 粗车 FD01
FD22 30～50 0.1～0.45 ≤3
精车 FD22 40～90 0.05～0.2 ≤0.8  
淬硬钢
60～65HRC 粗车 FD01
FD22 20～40 0.1～0.25 ≤3  
精车 FD22 35～80 0.05～0.2 ≤0.8
    合理选择切削用量:粗加工时，加工质量不主要问题，提高生产率、降低成本关键：而精加工时，首先要保证加工质量，其次才提高生产率降低成本。目前国内外没有陶瓷刀具切削用量定型数据可查，大多数根据现场生产经验而定。我们根据使用情况，统计出合理参数推荐值，见表3。
4 陶瓷刀具生产应用实例
   轧辊表面硬度56HRC以上。与使用硬质合金刀具加工相比，使用陶瓷刀具切削速度可提高3倍，生产时间缩短了45%～70%，节约刀具费用大于28%。由于生产时间缩短，相应地节约了电力工时，效益可观。
    冶金设备制造，经常遇到高锰钢件，但长期以来一直因为其特别严重加工硬化而被视为切削加工禁区。采用陶瓷刀具后，顺利解决了高锰钢衬板加工难题。
齿辊加工，我们曾对材质为40Cr24Ni20齿辊采用YT8刀具加工。因工件硬度高达50HRC以上，且该材质特点耐磨耐高温，YT8刀具12min内就磨钝，导致无法使用。采用陶瓷刀具后，可连续高速切削2h以上，可见工效之高。